工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的制備及性能試驗

桂敬能 ，林輝 ，朱玉翔 ，吳春曉 ，耿飛 ，解建光 ，高培偉

（1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.無錫市墻材革新和散裝水泥辦公室，江蘇 無錫 214001）

作為一般工業(yè)固體廢棄物，我國工業(yè)副產(chǎn)石膏的排放量每年達(dá)上億t，綜合利用率不到50%[1]，余下的工業(yè)副產(chǎn)石膏只能堆存或掩埋，極易產(chǎn)生二次污染。為進(jìn)一步提高工業(yè)副產(chǎn)石膏的利用率，解決環(huán)境隱患，國家相關(guān)部門提出一系列政策鼓勵工業(yè)副產(chǎn)石膏的利用，如《中國資源綜合利用技術(shù)政策大綱》和《工業(yè)和信息化部關(guān)于工業(yè)副產(chǎn)石膏綜合利用的指導(dǎo)意見》等。目前，我國工業(yè)副產(chǎn)石膏主要應(yīng)用于水泥緩凝劑、粉刷石膏和紙面石膏板等方面，由于其材料本身存在耐水性差、泛堿、易產(chǎn)生裂縫等問題，影響其在墻體材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究。張杰等[2]研發(fā)了石蠟-松香乳液防水劑，可將石膏基材料軟化系數(shù)提至0.6以上；林明濤等[3]將松香、丙烯酸乳液復(fù)合后，摻入石膏材料中，其抗水性得到提升；王玉平等[4]在石膏材料中摻入硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度大幅提高；位建強(qiáng)等[5]在脫硫石膏中加入粉煤灰和礦粉進(jìn)行改性，最佳摻比為 40∶20∶40；Qiao 等[6]在脫硫石膏中摻入一定量的粉煤灰、水泥和生石灰，制備出綜合性能較好的膠凝材料體系；Kovler[7-8]將石膏、硅酸鹽水泥和硅微粉按比例混合制備石膏試塊，長期水養(yǎng)，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)17 MPa。

本研究以工業(yè)副產(chǎn)石膏、水泥、粉煤灰和生石灰等為膠凝材料，優(yōu)選玻化微珠等輕集料，復(fù)摻自主研發(fā)的改性外加劑，通過單因素試驗研究玻化微珠和聚丙烯纖維對復(fù)合輕質(zhì)材料物理力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的影響。采用SEM觀察硬化漿體的微觀形貌，探究其性能影響機(jī)理，有助于實(shí)現(xiàn)并提升工業(yè)副產(chǎn)石膏在建筑節(jié)能領(lǐng)域的資源化利用。

1 試驗

1.1 原材料

建筑石膏：由煅燒脫硫石膏和煅燒鈦石膏按9∶1的質(zhì)量比混合，2 h的抗壓和抗折強(qiáng)度分別為6.1、3.0 MPa，石膏產(chǎn)地分別為山西、南京，其化學(xué)成分見表1；水泥：P·Ⅱ42.5R，產(chǎn)地南京；粉煤灰：Ⅱ級，南京某熱電廠；生石灰：100目，CaO含量大于80%，市售；礦粉：比表面積大于400 m2/kg，市售；硅灰：SiO2含量大于85%，比表面積大于20 000 m2/kg，產(chǎn)地上海；?；⒅椋涸魉?，堆積密度為170～185 kg/m3，市售；聚丙烯纖維：長度15 mm，密度910 kg/m3，南京某建材公司；石膏基復(fù)合外加劑：由聚羧酸高效減水劑、可再分散乳膠粉及改性有機(jī)硅粉末等復(fù)合而成。

表1 工業(yè)副產(chǎn)石膏的化學(xué)成分 %

1.2 試驗配比

基于課題組前期對工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合膠凝材料的試驗研究，確定了建筑石膏、水泥和粉煤灰等膠凝材料及復(fù)合外加劑的優(yōu)化配比：水泥20%、石膏50.5%、粉煤灰25%、生石灰3%、礦粉1%、硅灰0.5%和水料比0.6，在此基礎(chǔ)上選取玻化微珠體積摻量分別為0、10%、20%和30%，聚丙烯纖維體積摻量分別為0、0.03%、0.06%和0.09%進(jìn)行復(fù)合輕質(zhì)材料的單因素試驗研究，復(fù)合外加劑摻量固定為膠凝材料用量的5%。

1.3 性能測試方法

復(fù)合輕質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度和吸水率等試驗參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進(jìn)行。體積穩(wěn)定性以室溫下試件長度的變化來表征，參照GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》進(jìn)行測試。養(yǎng)護(hù)方式分為自然養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)，自然養(yǎng)護(hù)將脫模后的試件放置在溫度（20±5）℃，相對濕度（60±5）%的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，無需其他處理；蒸汽養(yǎng)護(hù)將脫模后的試件在室內(nèi)靜置1 d，放入溫度為80℃蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，3 h后取出自然晾干。

2 結(jié)果與分析

2.1 ?；⒅閾搅繉?fù)合輕質(zhì)材料性能的影響（見表 2）

表2 ?；⒅閾搅繉κ嗷鶑?fù)合材料性能的影響

由表2可知，隨著?；⒅轶w積摻量的增加，工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度大幅下降，摻量為0時，28 d抗壓強(qiáng)度為18.91 MPa，摻量為30%時，28 d抗壓強(qiáng)度為8.80 MPa，降幅達(dá)53.5%；蒸汽養(yǎng)護(hù)有利于28 d抗壓強(qiáng)度的提升，較之于自然養(yǎng)護(hù)，提升幅度最大可達(dá)21.9%；吸水率隨?；⒅閾搅康脑黾硬粩嘣龃?，軟化系數(shù)卻也不斷提升，摻量為30%時，吸水率及軟化系數(shù)分別為 16.1%和 0.89；干密度隨玻化微珠摻量的增加不斷減小，摻量為0時，干密度為1163 kg/m3，體積摻量為30%時，干密度為791 kg/m3，降幅達(dá)32.0%。

2.2 聚丙烯纖維摻量對復(fù)合輕質(zhì)材料性能的影響（見表 3）

表3 聚丙烯纖維摻量對石膏基復(fù)合材料性能的影響

由表3可知，隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度有所波動，摻量為0.09%時，自然養(yǎng)護(hù)下28 d抗壓強(qiáng)度為18.49 MPa；蒸汽養(yǎng)護(hù)較之于自然養(yǎng)護(hù)，其28 d抗壓強(qiáng)度提升幅度最大可達(dá)17.5%。吸水率隨聚丙烯纖維摻量的增加量先增大后減小，軟化系數(shù)有所提升，摻量為0.09%時，吸水率、軟化系數(shù)分別為13.8%和0.80。

由前述不同摻量玻化微珠、聚丙烯纖維工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料試驗結(jié)果可知，玻化微珠、聚丙烯纖維最佳摻量分別為20%和0.09%，按此摻量復(fù)摻制備復(fù)合輕質(zhì)材料，對其進(jìn)行相關(guān)性能測試，此時復(fù)合輕質(zhì)材料的28 d抗壓強(qiáng)度為10.37 MPa、吸水率為13.0%、軟化系數(shù)為0.81、干密度為873 kg/m3，符合 GB/T 23451—2009 的要求。

2.3 微觀機(jī)理分析

為討論玻化微珠、聚丙烯纖維對工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料性能的影響機(jī)理，對摻30%玻化微珠和摻0.09%聚丙烯纖維配合比的28 d試樣進(jìn)行微觀分析，結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

圖1摻30%?；⒅榈墓I(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的SEM照片

由圖1可知，在摻入大量玻化微珠后，工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料體系內(nèi)部的玻化微珠會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚的?；⒅橹g存在大量的空隙，試樣浸水后水分會順著滲水通道填充到這些空隙中，但由于這些空隙中的水分沒有完全接觸到二水石膏晶體，未全面侵蝕石膏晶體，試樣的濕強(qiáng)度降低幅度低于干強(qiáng)度降低幅度，這也就解釋了在宏觀上隨著玻化微珠體積摻量的增加，石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料吸水率不斷增大軟化系數(shù)卻有所增加的原因；玻化微珠與石膏基基體材料之間的連接屬于機(jī)械連接，兩者之間的界面為薄弱界面，當(dāng)試樣受壓時會成為隱患，且摻入玻化微珠會相對減少膠凝材料的用量，這也是在宏觀上隨著玻化微珠體積摻量的增加石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的強(qiáng)度大幅下降的原因之一。

圖2 摻0.09%聚丙烯纖維的工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的SEM照片

由圖2可知，聚丙烯纖維與石膏基基體材料的連接屬于機(jī)械連接，聚丙烯纖維周圍存在滲水通道，增加了輕質(zhì)材料內(nèi)部的孔隙率，吸水率變大，而隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，纖維能在輕質(zhì)材料內(nèi)部起到填充孔隙的作用，吸水率有所降低；與纖維接觸的基體材料部分晶體結(jié)構(gòu)較為疏松，試樣受壓時，該薄弱界面成為隱患，這就是在宏觀上隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料強(qiáng)度下降的原因。

2.4 工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的體積穩(wěn)定性

按基礎(chǔ)配合比，試驗選取不同體積摻量的?；⒅椤⒕郾├w維制備工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料，進(jìn)行體積穩(wěn)定性試驗，具體配合比見表4。

表4 工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料體積穩(wěn)定性試驗配合比

對A1、A2、A3和A4這4組試件自然狀態(tài)下的尺寸變形值進(jìn)行持續(xù)觀測，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的體積穩(wěn)定性

由圖3可知，在室內(nèi)環(huán)境下，4組試件整體上都是先膨脹后收縮，最終穩(wěn)定在膨脹狀態(tài)。其中，A1試件在脫模后7 d內(nèi)持續(xù)膨脹達(dá)到最大，隨后開始收縮，14 d后穩(wěn)定，其28 d尺寸變形值為0.896 mm/m；A2試件在脫模后6 d內(nèi)持續(xù)膨脹，隨后開始收縮，14 d后穩(wěn)定，其28 d尺寸變形值為0.717 mm/m；A3試件在脫模后7 d內(nèi)不斷膨脹，隨后開始大幅收縮，20 d后穩(wěn)定，其28 d尺寸變形值為0.132 mm/m；A4試件在脫模后5 d內(nèi)不斷膨脹，隨后開始顯著收縮，20 d后穩(wěn)定，其28 d尺寸變形值為0.022 mm/m。摻入?；⒅楹螅嚰谧匀桓稍镞^程中所達(dá)的最大膨脹值及最終膨脹值都有所減小，原因是膠凝材料相對減少，試件內(nèi)部生成的膨脹性水化產(chǎn)物也隨著減少。摻入聚丙烯纖維后，試件在自然干燥過程中所達(dá)的最大膨脹值及最終膨脹值都有所減小，原因是在試件前期膨脹時纖維受拉，起到阻止膨脹的作用，而在試件后期收縮時，纖維中還留有拉應(yīng)力，反向作用于試件，導(dǎo)致試件收縮量增大，最終膨脹值很小。

3 結(jié)論

（1）確定了復(fù)合輕質(zhì)材料的配合比：建筑石膏50.5%，水泥20%，粉煤灰25%，硅灰0.5%，生石灰3%，礦粉1%，?；⒅?0%，聚丙烯纖維0.09%，水料比0.6，復(fù)合外加劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的5%。此配合比下制備的工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料性能皆滿足GB/T 23451—2009要求。

（2）蒸汽養(yǎng)護(hù)較之自然養(yǎng)護(hù)可大幅提升工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度。

（3）經(jīng)SEM分析發(fā)現(xiàn)，?；⒅?、聚丙烯纖維與基體材料的連接處為薄弱界面，對復(fù)合輕質(zhì)材料的強(qiáng)度發(fā)展會產(chǎn)生負(fù)面作用。

（4）工業(yè)副產(chǎn)石膏基復(fù)合輕質(zhì)材料在常溫下體積為先膨脹后收縮最終穩(wěn)定在膨脹狀態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中自然養(yǎng)護(hù)14～20 d后體積穩(wěn)定。

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